Разнообразие антенн - Antenna diversity

Телефонная станция с более поздними антеннами, установленными выше для защиты от затухания

Разнообразие антенн, также известный как космическое разнообразие или же пространственное разнообразие, является одним из нескольких беспроводных схемы разнесения который использует две или более антенны для повышения качества и надежности беспроводной связи. Часто, особенно в городских условиях и внутри помещений, нет четкого Поле зрения (LOS) между передатчиком и приемником. Вместо этого сигнал отражается по нескольким путям, прежде чем будет окончательно принят. Каждый из этих отражений может вносить фазовые сдвиги, временные задержки, затухания и искажения, которые могут деструктивно мешать друг другу в апертуре приемной антенны.

Разнесение антенн особенно эффективно для устранения этих многолучевость ситуации. Это связано с тем, что несколько антенн предлагают приемнику несколько наблюдений одного и того же сигнала. Каждая антенна будет испытывать разные помехи. Таким образом, если одна антенна испытывает глубокое исчезновение, вполне вероятно, что другой имеет достаточный сигнал. В совокупности такая система может обеспечить надежную связь. Хотя это в первую очередь проявляется в приемных системах (разнесенный прием ), аналог также оказался ценным для передающих систем (разнесение передачи ) также.

По сути, схема с разнесением антенн требует дополнительного оборудования и интеграции по сравнению с системой с одной антенной, но из-за общности путей прохождения сигнала может использоваться совместное использование изрядного количества схем. Кроме того, при использовании нескольких сигналов к приемнику предъявляются более высокие требования к обработке, что может привести к ужесточению требований к конструкции. Однако обычно надежность сигнала имеет первостепенное значение, и использование нескольких антенн является эффективным способом уменьшить количество пропаданий и потерянных соединений.

Антенны

Разнесение антенн можно реализовать несколькими способами. В зависимости от окружающей среды и ожидаемых помех разработчики могут использовать один или несколько из этих методов для улучшения качества сигнала. Фактически, для дальнейшего повышения надежности часто используются несколько методов.

  • Пространственное разнообразие использует несколько антенн, обычно с одинаковыми характеристиками, которые физически отделены друг от друга. В зависимости от ожидаемого падения входящего сигнала иногда достаточно места порядка длины волны. В других случаях требуются гораздо большие расстояния. Сотовая связь или же секторизация, например, схема с пространственным разнесением, которая может иметь антенны или базовые станции мили друг от друга. Это особенно полезно для мобильная связь промышленность, поскольку она позволяет нескольким пользователям совместно использовать ограниченный спектр связи и избегать межканальных помех.
  • Разнообразие узоров состоит из двух или более совместно расположенных антенн с разными диаграммы направленности. Этот тип разнообразия использует направленные антенны которые обычно физически разделены некоторым (часто коротким) расстоянием. В совокупности они способны различать большую часть углового пространства и могут обеспечивать более высокое усиление по сравнению с одним всенаправленным излучателем.
  • Поляризационное разнообразие совмещает пары антенн с ортогональными поляризации (т.е. горизонтально / вертикально, ± наклон 45 °, влево / вправо круговая поляризация так далее.). Отраженные сигналы могут претерпевать изменения поляризации в зависимости от среды, через которую они распространяются. Разница поляризации в 90 ° приведет к коэффициенту ослабления до 34 дБ в силе сигнала. Путем объединения двух дополнительных поляризаций эта схема может иммунизировать систему от несовпадений поляризаций, которые в противном случае могли бы вызвать затухание сигнала. Кроме того, такое разнесение оказалось ценным на базовых станциях радиосвязи и мобильной связи, поскольку оно менее восприимчиво к почти случайным ориентациям передающих антенн.
  • Разнесение передачи / приема использует две отдельные, размещенные вместе антенны для функций передачи и приема. Такая конфигурация устраняет необходимость в дуплексер и может защитить чувствительные компоненты приемника от высокой мощности, используемой при передаче.
  • Адаптивные массивы может быть одиночной антенной с активными элементами или массивом подобных антенн с возможностью изменения их комбинированной диаграммы направленности при сохранении различных условий. Активные матрицы с электронным сканированием (AESA ) манипулировать фазовращатели и аттенюаторы на лицевой стороне каждого излучающего участка, чтобы обеспечить возможность почти мгновенного сканирования, а также управление диаграммой направленности и поляризацией. Это особенно полезно для радиолокационных приложений, поскольку позволяет одной антенне переключаться между несколькими различными режимами, такими как поиск, отслеживание, картографирование и меры противодействия помехам.

Технологии обработки

Все вышеперечисленные методы требуют некоторой пост-обработки для восстановления желаемого сообщения. Среди этих техник:

  • Переключение: В переключающемся приемнике сигнал только от одной антенны подается на приемник до тех пор, пока качество этого сигнала остается выше некоторого заданного порога. Если и когда сигнал ухудшается, включается другая антенна. Коммутация является самым простым и наименее энергоемким из методов обработки разнесения антенн, но могут возникать периоды замирания и десинхронизации, когда качество одной антенны ухудшается и устанавливается другая антенная линия.
  • Выбор: Как и при переключении, обработка выбора представляет приемнику в любой момент времени только сигнал одной антенны. Однако выбранная антенна основана на наилучшем соотношении сигнал / шум (SNR) среди принимаемых сигналов. Для этого требуется, чтобы проводилось предварительное измерение и чтобы все антенны установили соединения (по крайней мере, во время измерения отношения сигнал / шум), ведущие к более высокому требованию мощности. Фактический процесс выбора может происходить между полученными пакетами информации. Это гарантирует, что соединение с одной антенной поддерживается в максимально возможной степени. При необходимости переключение может происходить от пакета к пакету.
  • Комбинирование: В сочетании все антенны постоянно поддерживают установленное соединение. Затем сигналы объединяются и передаются приемнику. В зависимости от сложности системы сигналы могут добавляться напрямую (объединение с равным усилением) или взвешиваться и складываться когерентно (комбинирование с максимальным соотношением ). Такая система обеспечивает наибольшую устойчивость к замиранию, но поскольку все тракты приема должны оставаться под напряжением, она также потребляет больше всего энергии.
  • Динамическое управление: Приемники с динамическим управлением могут выбирать из приведенных выше схем обработки всякий раз, когда возникает ситуация. Хотя они намного сложнее, они оптимизируют соотношение мощности и производительности. Переходы между режимами и / или антенными соединениями сигнализируются изменением воспринимаемого качества связи. В ситуациях слабого замирания приемник не может использовать разнесение и использовать сигнал, представленный единственной антенной. По мере ухудшения условий приемник может перейти в более надежные, но энергоемкие режимы, описанные выше.

Приложения

Хорошо известное практическое применение разнесенного приема находится в беспроводные микрофоны, и в аналогичных электронный устройства, такие как беспроводные гитара системы. Беспроводной микрофон с приемником без разнесения (приемник, имеющий только одну антенну) подвержен случайным выпадениям, замираниям, шум, или другой вмешательство, особенно если передатчик (беспроводной микрофон) находится в движении. Беспроводной микрофон или звуковая система при использовании разнесенного приема переключится на другую антенну в течение микросекунд, если одна антенна испытывает шум, обеспечивая сигнал улучшенного качества с меньшим количеством выпадений и шумов. В идеале в принимаемом сигнале не должно быть выпадений или шума.

Другое распространенное использование - в Вай фай сетевое оборудование и беспроводные телефоны для компенсации многолучевые помехи. Базовая станция переключит прием на один из двух антенны в зависимости от того, какой в ​​настоящее время принимает более сильный сигнал. Для достижения наилучших результатов антенны обычно располагаются на расстоянии одной длины волны друг от друга. За микроволновая печь диапазоны, где длины волн меньше 100 см, это часто можно сделать с помощью двух антенн, подключенных к одному и тому же оборудованию. Для более низких частот и более длинных волн антенны должны находиться на расстоянии нескольких метров друг от друга, что делает это гораздо менее разумным.

Мобильный телефон Башни также часто используют преимущества разнесения - каждая сторона (сектор) башни часто имеет две антенны; одна принимает и передает, а другая - только приемная антенна. Для разнесенного приема используются два приемника.

Антенны сотовой связи на опоре электроэнергии с изображением двух антенн на сектор

Использование нескольких антенн как для передачи, так и для приема приводит к несколько входов, несколько выходов (MIMO) система. Использование методов разнесения на обоих концах канала называется пространственно-временное кодирование.

Разнесение антенн для MIMO

Кодирование с разнесением - это методы пространственного кодирования для MIMO система в беспроводных каналах. Беспроводные каналы серьезно страдают от явления замирания, которое вызывает ненадежность декодирования данных. По сути, разнесенное кодирование отправляет множество копий через несколько передающих антенн, чтобы повысить надежность приема данных. Если один из них не принимает, остальные используются для декодирования данных. MIMO обеспечивает пространственное разнесение и пространственное мультиплексирование.

Смотрите также

Рекомендации

  • Дж. Мун и Ю. Ким. «Разнесение антенн укрепляет беспроводные локальные сети». Дизайн систем связи, страницы 15–22, январь 2003 г.
  • С.М. Линденмайер, Л.М.Райтер, Д.Э. Бари и Дж. Ф. Хопф. «Разнесение антенн для улучшения BER при приеме мобильного цифрового радио, особенно в районах с густой листвой». Международная конференция ITG по антеннам, ISBN  978-3-00-021643-5, страницы 45–48. 30 марта 2007 г.
  • «Адаптивные массивы и конфигурации разнесенных антенн для портативных терминалов беспроводной связи», Карл Дитрих-младший, 15 февраля 2000 г.
  • «Учебное пособие по адаптивной антенне: спектральная эффективность и пространственная обработка» Марка Голдбурга. Управление техники и технологий FCC. 7 сентября 2001 г.
  • «Объектно-ориентированный подход на основе MATLAB к моделированию канала с многолучевым замиранием». Официальный документ C.D. Искандер. Февраль 2008 г.